我國高精度絕對重力儀研制現狀

【摘 要】介紹了國內研制高精度絕對重力儀的進展情況，并對現階段進行了分析，對后續發展提出了一些思考和想法，可為高精度絕對重力儀的國產化提供參考。

【關鍵詞】絕對重力儀；國產化；冷原子干涉；自由落體式

高精度重力成果作為一種基礎數據，一直是地球物理力學、大地測量學、地質結構、地殼運動等學科的重要依據，其廣泛地應用于大地測量、地球物理、航空航天、地震研究、物探等行業和領域[1，2，3，4，5，6，7，8]。國內外獲得高精度重力數據及成果（微伽級）的手段主要依靠高精度絕對重力儀的實測。

本文主要闡述了目前我國高精度絕對重力儀研制情況，從整體現狀、關鍵環節的進展、技術難點、突破性進展等進行了總結和回顧，并對今后一段時間國內研制的發展提出一些自己的思考。

一、歷史回顧

我國對于高精度絕對重力儀的研制基本從上世紀六十年代已經開始。開始階段，我國從事高精度絕對重力儀研制的機構主要集中在研究所、院校及相關事業單位，以中國計量科學研究院為代表[9，10]。

從研究的進程來看，到上世紀末，我國基本實現了理論研究、實驗裝置、裝置模塊、樣機實現、樣機改進等一系列的復雜工作。主要的成果以中國計量科學研究院實現了三代樣機（NIM型系列樣機）為典型。該機型采用的技術路線和方案依據經典自由落體運動原理。根據資料[10，11]，NIM-Ⅱ型絕對重力儀參加國際比對時，該儀器的測量成果達到了一定的高水平，甚至可以說在當時處于世界一流水平（不確定度為5μGal，對平均值差1μGal。）該樣機獲得了國家科技進步二等獎[11]。

二、研究現狀

進入二十一世紀后，前十年時間，我國在高精度絕對重力儀研制方向上相對而言有些停滯。一方面，對已有的研制成果進行后續改進和提高需要更深層次的理論深入研究和突破，同時在精密加工工藝、材料上需要更精密的基礎設施，還要有相當的經驗累積。這些因素在前十年左右還都不是很具備，特別是材料和精密加工工藝方面。

近幾年，隨著國內對高精度重力成果使用在理論和技術上的突破和實踐，重力相關項目得到具體實施，高精度重力成果得到廣泛應用，在不同領域重力成果發揮了積極的作用，在某些行業或領域重力成果的作用尤為明顯[12，13，14]。這些都促進了我國絕對重力儀研制的快速發展。

三、主要成果

3.1理論研究

因為高精度絕對重力儀是一種集光、機、電、自動控制于一體的精密設備，同時對加工工藝、材料都要求較高。因此高精度絕對重力儀研制涉及的理論研究必須是多領域專業的，同時原子干涉絕對重力儀又涉及原子干涉、“冷原子”等物理前沿技術理論領域，具有較高的前沿性。

從目前國際上高精度絕對重力儀研制以及商品化的儀器類型來看，基本上分為兩類。第一類以機械為技術工藝方案[15]；第二類以“冷原子”為技術工藝方案[16，17，18，19]。這兩類儀器都是因自由落體運動為基本理論。通過精密測量“落體”自由落體運動過程中下落距離與對應時間，根據自由落體運動方程計算得到高精度重力成果。

根據公開的資料，國內在兩類儀器研制的理論上都比較完備。機械式的理論研究國內表現出多樣性，主要成果主要集中在各自研究團體在各自技術路線上的部件涉及的理論上有深入的研究，并取得了獨立的成果。“冷原子”式的理論研究主要表現出與國際同步的特點。對于原子的冷卻理論、原子干涉以的理論、 “原子自由落體運動”理論都有涉及，而且有一定的高度，從現有公開發表的資料來看，基本與國際水平一致，部分細節國內研究的更深入[16，17，18，19]。

3.2實驗裝置

在具體實現上，國內的成果相對于國際上的成果還有相當的距離。主要表現在兩個方面。

一是國內目前的儀器主要還集中在實驗裝置或者工程樣機的階段。機械式的研制基本可以實現工程樣機，而且相應的軟、硬件已經得到驗證，具備了產業化的可能性。“冷原子”式的研制基本還處于實驗裝置或向工程樣機過度階段[16，17，18，19]，技術方案得到驗證，實驗測試基本完成，實驗效果達到預期，具備了工程樣機實現的基礎。

二是實驗裝置或工程樣機的實驗結果精度還有待提高。機械式的樣機測試結果一般在10個微伽左右，單次實驗結果較理想的可以達到5個微伽。與國際上同級別的商品化高精度絕對重力儀器在測量成果精度（優于5微伽）方面還有一定的距離。“冷原子”式的實驗裝置測試結果一般在50微伽左右。雖然與國際上該類儀器精度基本一致，但用于高精度（微伽級）的應用需求來說，還有待進一步研究。

四、后續研制關鍵問題

從上述情況國內與國際的結果分析來看，作者對國內后續高精度絕對重力儀研制的關鍵問題提出以下的看法。

4.1加快商品化

目前國內使用的高精度絕對重力儀大部分都是進口儀器。無論是維修、價格都不利于實際應用。維修周期長、價格昂貴，都增加的維修成本；儀器本身購置價格較高，動輒六七百萬。這些都不利于高精度重力成果的實際應用。而目前相關項目又急需此類高精度重力成果。

另外，高精度絕對重力儀研制本身的目標就是產品化。現階段的實驗裝置或者工程樣機還是一個過程階段，后續產品化、商品化是一個必然目的。而且，國內高精度絕對重力儀的商品化可以打破國外在該領域的壟斷局面。

加快商品化是實現國內在該領域從無到有的突破性進步。目前國內已經具備了商品化的基礎。因此加快商品化是目前最為關鍵的一點。

4.2深入關鍵技術研究

國內在高精度絕對重力儀基本原理方面的研究已經比較完善，但是在外圍干擾減弱的相關理論上的突破還應繼續深入。從目前實踐來看，特別是地面震動的干擾減弱急需深入。在微伽級精度的水平上，地面震動已經成為一個重要考慮的因素，只有從理論上取得突破，才可能知道后續加工工藝的實現，從而實現真正的微伽級精度的工程樣機。

4.3加快工藝、材料試驗

后續工作中，加工和材料是實現商品化的一個關鍵環節。從目前國內的加工過程來看，相對加工還多集中于非高端機構，采用的材料對于儀器測試結果的影響還沒有充分試驗，這兩點對于工程樣機的試驗精度在微伽級的影響不容忽略。不過，目前國內有些研究團體已經主要到這一點，也正在采取措施加大在加工工藝專業化、材料試驗化的進度和力度。

4.4加快相關規程研究

目前國內相關規程主要是基于國外儀器的指標情況制定的。針對目前國內儀器設備研制的現狀，主要是針對軟件、基礎參數設置、測試結果精度等實際情況開展綜合研究，從而制定符合實際需要、國內儀器又能滿足的技術規程，從而從法律層面促進國內擁有知識產權的設備在國家重力測量領域具有進入權利。

從目前來看，國內高精度絕對重力儀研制已經取得了從無到有的突破，相關理論、技術、裝置、工程樣機也取得了一定的階段性成果。后續再一些關鍵環節還應加大力度，開展深入研發，才能使高精度絕對重力儀的國產化可以預期。

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